《電子技術應用》
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頻譜利用及潛在的干擾分析
摘要: 日常生活中常用的頻率范圍,包括交流電源頻率、音頻、長、中、短波收音機占有的頻段、調頻及電視廣播、蜂窩電話常用的900MHz及1.8GHz。但實際的頻譜遠比這擁擠得多,9KHz以上的頻段幾乎都被用于特定的場合。隨著微
關鍵詞: 干擾分析 頻譜
Abstract:
Key words :

日常生活中常用的頻率范圍,包括交流電源頻率、音頻、長、中、短波收音機占有的頻段、調頻及電視廣播、蜂窩電話常用的900MHz 及1.8GHz。但實際的頻譜遠比這擁擠得多,9KHz 以上的頻段幾乎都被用于特定的場合。隨著微波技術廣泛應用于日常生活,該圖中所示的頻率也很快將擴展至10GHz(甚至100GHz)。圖15 在圖14 上覆蓋了一些大家不太熟悉的頻譜,這些頻譜是普通電氣及電子設備所發(fā)射的。

圖 15 疊加我們產生的干擾后的頻譜
交流電源整流器件在基頻至相當高的諧波頻率范圍內均可發(fā)射開關噪聲,具體情況取決于這些器件的功率。5 千伏安左右的電源(線性或開關模式)由于其50 或60Hz 橋式整流所產生的開關噪聲,通常在數MHz 頻率以下不能滿足傳導發(fā)射的限制要求??煽毓柚绷麟姍C驅動裝置及交流移相控制系統(tǒng)所產生的噪聲也大致如此。這些噪聲極易干擾中長波和部分短波廣播。
開關電源的工作基頻一般在2kHz 至500kHz 之間。開關電源在其工作頻率1000 倍的頻率處仍具有很強的發(fā)射是常見的。圖15 給出了個人計算機中常用的頻率為70kHz 的開關電源的發(fā)射頻譜。這將干擾包括調頻廣播在內的廣播通信。圖15 中還給出了由16MHz 時鐘微處理器或微控制器產生的典型發(fā)射頻譜。這些器件的發(fā)射通常會在200MHz 甚至更高的頻率超過發(fā)射極限值。目前,由于個人計算機采用400MHz 甚至1GHz 以上的時鐘頻率,因此數字技術必然會對高端頻譜產生干擾。
之所以會發(fā)生以上各種現象,是因為所有導體都是天線。它們把傳輸的電能轉變成電磁場,然后泄漏到廣闊的環(huán)境中。同時,它們也能把其周圍的電磁場轉變成傳導電信號。這是放之四海而皆準的真理。因此,導體是信號產生輻射發(fā)射的主要原因,也是外來場使信號受到污染的原因(敏感度和抗擾度)。

2.2 導體的泄漏與天線效應
電場(E)由導體上的電壓產生,磁場(M)由環(huán)路中流動的電流產生。導體上的各種電信號均可產生磁場和電場,因此,所有導體都可將其上的電信號泄漏至外部環(huán)境中,同時也將外部場導入信號中。

在遠大于所關心頻率的波長(λ)的1/6 處,電場和磁場匯合成包含電場和磁場的完整電磁場(平面波)。例如:對于30MHz,平面波的轉折點在1.5m;對于300MHz,平面波的轉折點在150m;對于900MHz,平面波的轉折點在50m。因此隨著頻率的增加,僅僅把導體視為電場或磁場的發(fā)射和接收器是不夠的,如圖16 示。

隨頻率增加的另一個效應是:當波長(λ)與導體的長度比擬時,會發(fā)生諧振。這時信號信號幾乎可以 100%轉換成電磁場(或反之)。例如,標準的振子天線僅是一段導線,但當其長度為信號波長的1/4 時,便是一個將信號轉變成場的極好的轉換器。雖然這是一個很簡單的事實,但對于使用電纜及連接器的技術人員而言,認識到所有的導體都是諧振天線這一點很重要。顯然,我們希望它們都是效率很低的天線。如果假定導體是一個振子天線(很適合我們的目的),我們就可以利用圖17 來幫助我們分析。

圖 17 電纜長度與天線效率


圖17 的縱軸表示導體長度(單位:米),為了便于觀察,將圖15 的頻譜復制出來。最右邊的斜線給出了導體成為理想天線時導體的長度與頻率的關系。
很明顯,在常用的頻段內,即使很短的導體也能產生發(fā)射和抗擾度問題??梢钥吹剑?00MHz 處,1 米長的導體就是很有效的天線,在1GHz 處,100mm 的導體就成為很好的天線。這個簡單的事實就是使EMC 被稱為“黑色藝術”的主要原因。
前幾年, 日常生活中廣泛使用的頻率都較低,典型的電纜不能成為很有效的天線,這就是為什么電氣配線“慣例”趨于過時的原因。圖17 中,中間的斜線表示雖然導體沒有成為高效的天線,但仍有可能引起問題的導體長度。左邊的斜線表示導體的長度極短,其天線效應可忽略的情況(特別嚴格的產品除外)。有人說:“沒問題,我已經接地了”,你聽這話多少次了?在EMC 業(yè)界人士中,射頻是色盲是經常的笑話。因此不能將傳輸射頻信號的黃/綠色導線(美國標準中規(guī)定安全地線為黃/綠色)想象成很好的地,并且,所有用于接地的導體也都是天線。

2.3 所有電纜受其固有電阻、電容、電感影響
暫時不考慮場和天線的作用,先看下面幾個簡單的例子。這些例子可以說明:在常用的頻率范圍內,與理想狀態(tài)微小的偏差也會導致導體上所傳輸的信號出現問題。
* 直徑1mm 的導線,在160MHz 時,其電阻是直流狀態(tài)時的50 倍還要多,這是趨膚效應的結果,迫使67%的電流在該頻率處流動于導體最外層5 微米厚度范圍內。
* 長度為25 mm,直徑為1 mm 的導線具有大約1pF 左右的寄生電容。這聽起來似乎微不足道,但在176MHz時呈現大約1kO 的負載作用。若這根25 mm 長的導線在自由空間中,由理想的峰-峰電壓為5V、頻率為16MHz 的方波信號驅動,則在16MHz 的十一次諧波處,僅驅動這根導線就要0.45mA 的電流。
* 連接器中的引腳長度大約為10mm,直徑為1 mm,這根導體具有大約10nH 左右的自感。這聽起來也是微不足道的,但當通過它向母板總線傳輸16MHz 的方波信號時,若驅動電流為40mA,則連接器針上的電壓跌落大約在40mV 左右,足以引起嚴重的信號完整性和/或EMC 方面的問題。
* 1 米長的導線具有大約1μH 左右的電感,當把它用于建筑物的接地網絡時,便會阻礙浪涌保護裝置的正常工作。
* 濾波器的100 mm 長的地線的自感可達100nH,當頻率超過5MHz 時,會導致濾波器失效。
* 4 米長的屏蔽電纜,如果其屏蔽層以長度為25mm“小辮”方式端接,則在30MHz 以上的頻率就會使電纜屏蔽層失去作用。
經驗數據:對于直徑2 mm 以下的導線,其寄生電容和電感分別是:1pF / 英寸和 1 nH/毫米(對不起沒有統(tǒng)一單位,但這更容易記憶)。其簡單的算術關系式如下:

2.4 避免使用導體
以上的種種分析表明:隨著頻率升高,電纜的問題越來越多。用它來完整地傳輸信號和防止它產生泄漏越來越困難。
即使對諸如音頻之類的低頻信號,電纜也開始呈現越來越多的問題。由于所有的半導體器件在直到數百MHz的頻段(即使象LM324 之類的低速運放)內都具有晶體檢波器的特性,所以電纜天線效應會使音頻信號不知不覺地受到污染。
因此,從以最經濟的手段滿足EMC 要求的角度來說,最好徹底避免金屬電纜和連接器??梢允褂梅墙饘賹Ь€進行通信,目前已經有許多類似的產品出現,包括:
* 光纖(更適宜非金屬導線場合)
* 無線通信(例如:Bluetooth;局域網)
* 紅外(例如:IrDA)
* 自由空間微波和激光通信(例如:兩建筑物之間)

2.4.1 非導體產品的成本/效益分析
許多設計人員認為:只有采用傳統(tǒng)的電纜和導線才能壓縮成本。但當考慮到一個完整項目的成本、產品或系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性、安裝等諸多因素時,經常可以發(fā)現,光纖或無線通信的總成本較低。當然,這時一切都晚了。
對于信號電纜及連接器而言,除了最簡單的電子產品以外,原材料價格與銷售價格沒有什么必然的聯系。對信號完整性、EMC 兼容性、過充電的危險、高返修率的風險、質量投訴、產品滯銷等方面進行正確的成本/效益分析是十分必要的。
設計工程師們不愿考慮他們設計出的產品所具有的商業(yè)風險,但他們是唯一決定產品是否具有競爭力的人(通常需求是由市場人員提出)。但是,如果電子工程師們一味地只考慮產品的功能參數和原材料價格,那么,他們公司將失去競爭優(yōu)勢,同時還會承受不可預測的商業(yè)風險。

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